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南林付宇教授課題組《Small》:雙功能非對稱纖維素凝膠電解質(zhì)來同時抑制鋰硫電池體系的穿梭效應(yīng)和枝晶生長
2023-04-10  來源:高分子科技

  隨著電子儲能設(shè)備的日益更新?lián)Q代以及電動汽車領(lǐng)域的發(fā)展,鋰硫電池具有超高的比容量(1675 mAh/g)和超高的能量密度(2600 Wh/kg)受到科研人員的廣泛關(guān)注。但硫正極的多硫化物穿梭效應(yīng)和鋰負(fù)極的界面不穩(wěn)定是阻礙高能量密度鋰硫電池商業(yè)化的主要技術(shù)問題,單純解決多硫化物穿梭或者鋰枝晶生長的問題會導(dǎo)致存在安全隱患或電池壽命較短的不足。針對上述問題,近日,南京林業(yè)大學(xué)付宇教授報道了一種雙功能非對稱纖維素凝膠電解質(zhì)來同時抑制多硫化鋰穿梭效應(yīng)和枝晶生長的問題,為制備高性能鋰硫電解質(zhì)提高了新思路。


非對稱纖維素凝膠電解質(zhì)的設(shè)計思路


  在之前的工作中,該團(tuán)隊報道了一種纖維素凝膠電解質(zhì)(Carbohydrate Polymers, 2022, 296: 119950)以及UiO66/黑磷的異質(zhì)結(jié)(Chemical Engineering Journal, 2023, 454: 140250)的制備方法。在此基礎(chǔ)上,為了進(jìn)一步提升MOF UiO66對于多硫化鋰的吸附和催化性能,提出了一種缺陷和離子化的策略來處理UiO66/黑磷異質(zhì)結(jié)。同時為了提升纖維素電解質(zhì)的離子遷移數(shù)來誘導(dǎo)鋰的均勻沉積過程,提出了陽離子改性纖維素電解質(zhì)的策略。結(jié)果表明,UiO66的離子化工程使得UiO66配體上的季銨鹽-N+(CH3)3官能團(tuán)通過靜電吸附效應(yīng)有效俘獲負(fù)電荷的多硫根離子;而缺陷化工程則使得UiO66配體丟失,暴露更多的Zr金屬位點來提升其催化性能。UiO66和黑磷的協(xié)同催化機(jī)制使得多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面上實現(xiàn)了快速吸附-催化-轉(zhuǎn)換的過程,有效地抑制了多硫化鋰擴(kuò)散過程。對于陽離子改性的纖維素凝膠電解質(zhì),通過COMSOL模擬了鋰離子的沉積過程,表明纖維素電解質(zhì)中季銨鹽-N+(CH3)3官能團(tuán)可以限制陰離子的運動過程,從而提升電解質(zhì)的離子遷移數(shù)并誘導(dǎo)鋰的均勻沉積過程,形成致密穩(wěn)定的SEI膜來抑制鋰晶生長的過程。 


非對稱纖維素凝膠電解質(zhì)的制備示意圖a) 缺陷離子化UiO66/BP的制備過程;b) 陽離子型纖維素電解質(zhì)的制備過程;c) 非對稱纖維素電解質(zhì)的制備及在鋰硫電池的應(yīng)用。 


多硫化鋰在異質(zhì)結(jié)界面的吸附和催化轉(zhuǎn)化機(jī)理圖

 

4 a-c) 隔膜/電解質(zhì)的離子遷移數(shù)的測定;在2000 s的模擬時間內(nèi),模擬Li+Li負(fù)極上的沉積過程: d-f) 商業(yè)隔膜Celgard; g-i) ACA; j-l) QACA。(鋰代表紅色)


  該工作以“Simultaneously Suppressing Shuttle Effect and Dendrites Growth in Lithium–Sulfur Batteries via Building Dual-functional Asymmetric-Cellulose Gel Electrolyte”為題發(fā)表在《Small》期刊上。文章第一作者為研究生黃揚澤,通訊作者為南京林業(yè)大學(xué)付宇教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委,江蘇省研究生科研實踐創(chuàng)新計劃項目的支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202300076

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